Fizik ve kimya, Marie’nin eğitim aldığı, uygulamalar yaptığı, kararlılıkla ilerlediği alanlardı; aynı zamanda bunlar babasının da alanlarıydı.
Marie 1894’te ikinci üniversite derecesini aldı: matematik. Bu sırada fizik ve kimya dersleri vermekte olan Pierre Curie ile tanışmıştı. Marie Polonya'ya döndüğünde kısa süre ayrı kalsalar da, ikisi bir yıl kadar sonra evlendi.
Henri Becquerel’in uranyum tuzları ile çalışırken radyoaktiviteyi keşfetmesinin hemen ardından; Marie, “Curie elektrometresi”ni kullanarak uranyum ışınları araştırmasını başlattı. Bu sayede diğer bazı radyoaktif elementlerin var olduğunu gösterdi. Marie Curie, keşfi üzerine bir araştırma makalesi yayınladı. 1896'da bir kadın için bu oldukça sıra dışı bir adım sayılmaktaydı. Eşi Pierre de artık kendi araştırmasını bir kenara bırakmış Marie'ye destek oluyordu. Curie çifti 1898 yılı yazında, yeni element polonyum üzerine ortak bir makale kaleme aldılar; aynı yıl Noel’in ertesi günü yine bir element keşfettiklerini diğer bir yazılarında ilan ederek çığır açtılar: radyum.
Sokakta gerçekleşen trajik bir kaza ile Pierre'in ölmesine dek Curieler beraber çalışmayı sürdürdü. Marie, saf radyumu ayırmak için 1910'a kadar çalışmalarına yalnız bir savaşçı olarak devam etti. Oldukça dikkat çekici bir ayrıntı vardı ki, Marie Curie keşiflerinin patentini almamaya karar verdi. Böylece diğer bütün bilim insanları her şekilde özgürce araştırma yapabilecek, keşiflerini kullanıp geliştirebilecekti.
Marie Curie’nin bilimsel çalışmalarıyla layık görüldüğü iki Nobel vardır. Bunlar Kimya ve Fizik dalındadır.
1903'te Fizik dalında Nobel Ödülü alınca, bu başarıya imza atan ilk kadın olarak tarihte yerini almış; 1911'de de “Nobel for Chemistry”yi yani Kimya Nobeli’ni kazanmış, bu defa da iki Nobel Ödülü alan ilk bilim insanı ünvanını kazanmıştır. Bunlara rağmen, Fransız Bilimler Akademisi onu üyelikten men etmiştir. Sorbonne'un ilk kadın profesörü de olan Marie Curie; eşi Pierre’in başkanlık ettiği fizik laboratuvarının sorumlu yöneticiliğine getirildi. Kısa bir süre sonra Fransa hükümeti; tıp, fizik ve kimya alanlarında çalışmalar yapılması için Radium Enstitüsü’nü kurdu. Bütün bunlar Marie Curie sayesinde gerçekleşen bilimsel adımlar olmakla birlikte, günümüz radyoloji alanına ve genel olarak bilime sağladığı katkı hayatımızı kolaylaştıran daha pek çok teknolojiye ön ayak olmuş özverili çalışmaları ile yarışır niteliktedir.
Radyasyon içeren çalışmalarında öncü bir bilim insanı olan Marie Curie bu sebeple araştırma yöntemlerinden kendi sağlığının ne derece etkileneceğinden habersizdi. Radyoaktiviteyi araştırdığı 38 yılı aşkın süre radyasyonun etkilerine maruz kalıyordu ve ne yazık ki 1934'de şiddetli anemi yüzünden hayata gözlerini yumdu. Curie çiftinin geliştirdiği, bir tümörü radyoaktivite ile küçültme fikri günümüzde mümkün olan ve gelişmekteki kanser tedavilerinin, araştırmalarının temelini oluşturmaktadır. İradesi, zekası ve ileri görüşlülüğüyle Marie Curie bugüne kadar binlerce insanın kanserle olan mücadelesinden zaferle çıkmasına yardımcı olmuştur.